《International Biodeterioration & Biodegradation》：Microbial colonization on biocide-treated and untreated fa?ades: The impact of surface orientation
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建筑外墻生物殺滅劑與朝向?qū)ξ⑸锶郝涞挠绊懷芯俊Ｍㄟ^(guò)對(duì)比北西向（受風(fēng)雨侵蝕）和南東向（非侵蝕）的無(wú)毒與含毒（含OIT、TER等）丙烯酸涂層混凝土外墻，采用高通量測(cè)序技術(shù)分析了一年后細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示：生物殺滅劑顯著改變?nèi)郝浣M成，含毒N/W墻表皮 Rust菌（Sphingomonas）和滇紅酵母（Cladosporium）豐度降低，而耐污菌（如Klenkia）增多；朝向影響真菌群落（p=0.01）但細(xì)菌較少（p=0.046）。BFF（無(wú)毒）墻普遍存在Nesterenkonia等耐旱菌屬，而B(niǎo)CF（含毒）墻出現(xiàn)Massilia等耐藥菌屬。研究證實(shí)生物殺滅劑與微環(huán)境（朝向、溫濕度）共同塑造微生物群落，建議結(jié)合氣象數(shù)據(jù)優(yōu)化生物殺滅劑使用策略。
米哈爾·喬克（Micha? Ciok）| 丹妮拉·魏森伯格（Daniela Weisenberger）| 莫里茨·尼特萊因（Moritz Nichterlein）| 斯特凡·卡爾克霍夫（Stefan Kalkhof）| 馬蒂亞斯·諾爾（Matthias Noll）
德國(guó)科堡應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)生物分析研究所
摘要
殺生物劑如辛基異噻唑啉酮（Octylisothiazolinone, OIT）和特丁硫磷（Terbutryn, TER）常用于建筑材料中以防止微生物侵襲。它們的釋放和抗菌效果受到風(fēng)驅(qū)雨（wind-driven rain, WDR）的影響，而風(fēng)驅(qū)雨與建筑立面的朝向直接相關(guān)。本研究調(diào)查了無(wú)殺生物劑（BFF）和含殺生物劑（BCF）立面上細(xì)菌和真菌群落的組成，這些立面的朝向分別為北/西（N/W）和南/東（S/E），代表了在太陽(yáng)輻射、干燥速率和水分可用性方面的不同微氣候條件。采樣是在室外暴露一年后使用非培養(yǎng)方法進(jìn)行的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BCF和BFF之間的細(xì)菌和真菌群落組成存在顯著差異。此外，立面朝向?qū)?xì)菌和真菌群落組成也有顯著影響。朝南/東的立面上細(xì)菌多樣性明顯高于其他立面。其中，Nesterenkonia、Paracoccus、Microbacteriaceae、Pseudomonas和Dioszegia屬的菌類在N/W朝向的立面上占主導(dǎo)地位，而Klenkia、Massilia、Capnodiales和Filobasidium屬的菌類主要存在于N/W朝向的立面上。只有Vishniacozyma屬的真菌在所有處理組中都有出現(xiàn)。與生物降解、變色和生物分解相關(guān)的細(xì)菌和真菌屬，如Nocardioides、Sphingomonas、Kineosporiaceae和Arthrobacter，主要存在于N/W朝向的立面上；Arthrobacter也出現(xiàn)在BFF的N/W朝向立面上；Cladosporium和Alternaria屬的真菌則常見(jiàn)于S/E朝向的立面上。這些結(jié)果表明，殺生物劑的存在和立面朝向?qū)ξ⑸锒ㄖ衬Ｊ绞┘恿诉x擇性壓力。因此，這些發(fā)現(xiàn)為立面微生物組提供了更全面的視角，并提示需要調(diào)整殺生物劑的使用方式，包括考慮風(fēng)化因素和殺生物劑的施用方法。
引言
在諸如外墻抹灰（基于丙烯酸的抹灰材料和丙烯酸涂料系統(tǒng)）等建筑材料中，殺生物劑有兩個(gè)主要用途。首先，它們作為罐內(nèi)防腐劑添加其中，例如異噻唑啉酮類（如benzisothiazolinone, BIT、methylisothiazolinone, MIT和chloromethylisothiazolone, CMIT），以延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期（Paijens等人，2020年；Reiβ等人，2021年）。其次，立面是建筑物的最外層，可保護(hù)其免受風(fēng)驅(qū)雨（WDR）或溫度波動(dòng)等環(huán)境因素的影響，同時(shí)還具有美觀功能（Hofbauer & G?rtner，2021年）。因此，殺生物劑也被用作室外表面的薄膜防腐劑，主要目的是長(zhǎng)期防止微生物生長(zhǎng)（Bollmann等人，2017年；Reiβ等人，2021年），從而減少生物膜生物量的積累、生物降解并延緩生物膜的形成。表面觀察到的任何成分變化都被解釋為選擇性壓力的結(jié)果，而非設(shè)計(jì)目的（Maisto等人，2025年；Reiβ等人，2021年；新興和新型健康風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)委員會(huì)（SCENIHR），2009年；Viegas等人，2023年）。常用的薄膜防腐劑包括特丁硫磷（TER）、辛基異噻唑啉酮（OIT）和鋅吡硫酮（ZnP）（Paijens等人，2020年；Reiβ等人，2021年；Wicke等人，2022年）。
薄膜防腐劑不會(huì)永久性地結(jié)合在涂層基質(zhì)上，可能會(huì)被降雨和風(fēng)驅(qū)雨（WDR）釋放到城市徑流和接收水中（Burkhardt等人，2012年；Paijens等人，2020年）。最近的現(xiàn)場(chǎng)和浸漬研究表明，立面滲出物（包括罐內(nèi)和薄膜防腐劑的混合物）可能對(duì)水生和沉積物生物產(chǎn)生生態(tài)毒性影響，尤其是在使用初期（Kiefer等人，2024年；Reiβ等人，2025b）。此外，如OIT的光降解等轉(zhuǎn)化過(guò)程可能產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物，從而增加環(huán)境負(fù)擔(dān)（Bollmann等人，2017年）。
Vega-Garcia等人（2020年）證明了立面朝向與WDR加速殺生物劑排放之間的相關(guān)性，他們發(fā)現(xiàn)巴伐利亞州（德國(guó)）朝西的立面上殺生物劑的累積排放量最大。盡管該研究未涉及殺生物劑的封裝技術(shù)，但如今這在立面薄膜防腐劑的應(yīng)用中很常見(jiàn)，并顯著延長(zhǎng)了抗菌作用的持續(xù)時(shí)間（Arzani & dos Santos，2022年），這一點(diǎn)已有許多報(bào)道（Bergek等人，2014年；Eversdijk等人，2012年；Nordstierna等人，2010年）。
此外，封裝的殺生物劑可以減緩微生物的定殖速度。立面的定殖過(guò)程始于初始定殖者（如細(xì)菌和真菌），隨后是次級(jí)定殖者，主要是藻類和地衣。總共在立面上鑒定出超過(guò)220個(gè)不同的微生物類群（Hofbauer & G?rtner，2021年；Sterflinger & Pi?ar，2013年）。微生物定殖受立面材料和結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件（如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、濕度水平、季節(jié)性溫度變化）、殺生物劑配方（Song等人，2020年）、微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可用性（Péguilhan等人，2025年）以及空氣中微生物的種類和數(shù)量（Hofbauer & G?rtner，2021年；Thelandersson & Isaksson，2013年）的影響。此外，還應(yīng)考慮附近的植被覆蓋情況和立面朝向（Reiβ等人，2021年；Vega-Garcia等人，2020年）。
為了克服基于培養(yǎng)的方法的局限性（Rappé & Giovannoni，2003年；Santos和Olivares，2021年），一些研究采用了非培養(yǎng)方法來(lái)研究建筑材料上的微生物生物膜和群落組成。這些方法通常包括提取環(huán)境DNA，然后通過(guò)基于擴(kuò)增子的高通量測(cè)序（HTS）來(lái)鑒定微生物群落組成。這類分子方法已成功應(yīng)用于涂漆外墻表面（Ogawa等人，2017年）和外部熱絕緣復(fù)合系統(tǒng)（ETICS）立面材料（Viegas等人，2023年），為本研究提供了方法論基礎(chǔ)。此外，還使用定量PCR方法從文化遺產(chǎn)遺址、ETICS和立面本身中提取環(huán)境DNA，以量化特定微生物類群（Li等人，2018年；Meng等人，2016年；Rosado等人，2014年；Savkovi?等人，2021年）。在文化遺產(chǎn)的生物降解過(guò)程中，已經(jīng)鑒定出多種導(dǎo)致變色、溶解或沉淀的細(xì)菌和真菌物種（Negi & Sarethy，2019年；Schr?er等人，2021年）。這些研究表明，立面定殖是一個(gè)復(fù)雜的多因素過(guò)程，受表面和材料特性、表面粗糙度、水分可用性和干燥動(dòng)態(tài)、微生物相互作用以及局部暴露條件（包括立面朝向）的影響。然而，系統(tǒng)評(píng)估立面朝向和殺生物劑施用對(duì)相同材料系統(tǒng)綜合影響的基于現(xiàn)場(chǎng)的研究仍然很少，這突顯了在現(xiàn)實(shí)室外條件下處理-暴露相互作用方面的知識(shí)空白。
本研究有兩個(gè)主要目標(biāo)：i) 使用HTS方法，在暴露一年后，分別鑒定北/西（N/W）朝向（風(fēng)化部位）和南/東（S/E）朝向（非風(fēng)化部位）的無(wú)殺生物劑（BFFs）和含殺生物劑（BCFs）立面上的細(xì)菌和真菌群落組成；ii) 確定與生物降解、變色以及殺生物劑生物降解和抗性相關(guān)的潛在微生物功能。
采樣
采樣方法
所研究的立面系統(tǒng)由涂在混凝土塊上的丙烯酸抹灰層和丙烯酸涂料層組成。配方和施工程序已在先前的研究中描述（Ciok等人，2025年；Kiefer等人，2024年）；BCF配方中加入了防腐劑（MIT/CMIT/BIT；OIT/TER/ZnP），而B(niǎo)FF則未添加任何殺生物劑（見(jiàn)補(bǔ)充圖S3）。簡(jiǎn)而言之，從BCF和BFF中各選取三個(gè)獨(dú)立樣本進(jìn)行采樣。
殺生物劑的存在及立面朝向?qū)?xì)菌和真菌群落組成及多樣性的影響
評(píng)估了北/西（N/W）和南/東（S/E）朝向的BFFs、BCFs N/W和BCFs S/E的細(xì)菌和真菌群落組成（圖1）。殺生物劑的存在顯著改變了細(xì)菌（p = 0.001）和真菌群落組成（p = 0.007）（BCFs與BFFs之間，雙向——PERMANOVA）。此外，立面朝向也顯著影響了真菌群落組成（p = 0.01）（N/W與S/E），而細(xì)菌群落組成僅有邊緣顯著性差異（p = 0.046）。
討論
本研究提供了基于現(xiàn)場(chǎng)的證據(jù)，表明立面朝向和薄膜防腐劑的存在對(duì)在真實(shí)室外環(huán)境中相同立面材料上發(fā)展的細(xì)菌和真菌生物膜群落施加了強(qiáng)烈但不同的選擇性壓力。細(xì)菌和真菌群落組成受立面類型的影響（圖1、圖2、圖3）。Nesterenkonia屬的細(xì)菌在兩種朝向的BFFs上都是最占主導(dǎo)地位的菌類。
結(jié)論
含殺生物劑的立面在一年室外暴露后顯著改變了丙烯酸涂層混凝土上的細(xì)菌和真菌群落組成，減少了極端微生物如Nesterenkonia和Paracoccus的存在。盡管使用了殺生物劑，但Klenkia、Sphingomonas和Cladosporium等耐受性強(qiáng)的菌類仍然存在，表明微生物在現(xiàn)實(shí)條件下具有適應(yīng)性和生物降解潛力。朝南/東的BCFs支持最高的微生物多樣性。
作者貢獻(xiàn)聲明
米哈爾·喬克（Micha? Ciok）：撰寫原始稿件、可視化處理、驗(yàn)證、方法學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、數(shù)據(jù)分析。
丹妮拉·魏森伯格（Daniela Weisenberger）：驗(yàn)證、資源管理、方法學(xué)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)整理。
莫里茨·尼特萊因（Moritz Nichterlein）：驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析、項(xiàng)目監(jiān)督、資金獲取。
斯特凡·卡爾克霍夫（Stefan Kalkhof）：撰寫修訂稿件、項(xiàng)目監(jiān)督、資源管理、項(xiàng)目協(xié)調(diào)、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。
倫理聲明
由于本研究不涉及人類或動(dòng)物的倫理問(wèn)題，因此免去了倫理審查和批準(zhǔn)程序。
資助
本研究得到了巴伐利亞州科學(xué)與藝術(shù)部（項(xiàng)目“OMiBiB：優(yōu)化和減少建筑材料中的殺生物劑使用”[資助編號(hào)H.2-F1116.CO/47/2]（資助給MN和SK）以及巴伐利亞州環(huán)境與消費(fèi)者保護(hù)部的支持（在BayOekotox項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)下[資助編號(hào)1209 TG73]（資助給MN和SK）。
利益沖突聲明
作者聲明沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益沖突或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
作者感謝Julia Kenzel和Eva Wittmann在OMIBIB項(xiàng)目管理工作中的支持，以及Shakhawat Hossen和Benjawan Tanunchai在技術(shù)實(shí)施方面的協(xié)助。
